井下人員定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

胡 勁，鞠 波，楊 素，田海燕

（1.綿陽(yáng)市維博電子有限責(zé)任公司，綿陽(yáng) 621000；2. 中國(guó)兵器裝備集團(tuán)自動(dòng)化研究所，綿陽(yáng) 621000）

0 引言

井下人員定位系統(tǒng)是通過建立一個(gè)完整、靈活和實(shí)時(shí)的井下網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對(duì)巷道人員分布信息進(jìn)行管理，來實(shí)現(xiàn)井下人員管理的信息化和可視化，同時(shí)提高礦井開采生產(chǎn)管理和安全作業(yè)的水平，為發(fā)生緊急情況的救援活動(dòng)提供幫助，其主要功能有：1）實(shí)時(shí)監(jiān)控：能實(shí)時(shí)采樣，并顯示井下人員位置、區(qū)域人員數(shù)量，實(shí)現(xiàn)人員定位功能；2）數(shù)據(jù)查詢：可以查詢井下人員的活動(dòng)軌跡；3）統(tǒng)計(jì)報(bào)表：提供人員定位實(shí)時(shí)信息表、日?qǐng)?bào)表和月報(bào)表，并進(jìn)行打印。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用電力線載波通訊技術(shù)，將遍布于井下坑道內(nèi)的照明輸電線路作為數(shù)據(jù)傳輸總線，在坑道中放置信息采集傳輸節(jié)點(diǎn)，完成無線、電力線通訊的轉(zhuǎn)換接收工作，形成一個(gè)遍布于整個(gè)井下坑道內(nèi)的通訊網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)井下工作人員攜帶身份識(shí)別器進(jìn)入坑道內(nèi)后，可通過網(wǎng)絡(luò)獲取工作人員所在的位置，并可根據(jù)身份識(shí)別器確定人員身份；同時(shí)信息處理中心站可對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的身份識(shí)別器進(jìn)行通訊報(bào)警等操作，當(dāng)發(fā)生安全隱患時(shí)可通知井下工作人員快速撤離。

整個(gè)井下人員定位系統(tǒng)由以下三個(gè)部分組成：1）身份識(shí)別器：由工作人員攜帶，標(biāo)明了人員的身份；2）信息采集傳輸節(jié)點(diǎn)：安置于井下坑道內(nèi)，通過無線方式與身份識(shí)別器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，并通過電力載波模塊接入井下網(wǎng)絡(luò)中；3）信息綜合處理中心站：由一臺(tái)PC機(jī)或服務(wù)器構(gòu)成，它通過電力載波通訊模塊接入通訊網(wǎng)絡(luò)中，獲取通訊網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)，進(jìn)行系統(tǒng)總體控制。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 身份識(shí)別器

圖2 身份識(shí)別器組成示意圖

身份識(shí)別器通過無線方式發(fā)送人員編號(hào)信息和人員報(bào)警信息，并接收信息綜合處理中心站通過信息采集傳輸節(jié)點(diǎn)發(fā)送的系統(tǒng)報(bào)警信息、輪詢信息。

考慮到井下工作的實(shí)際情況，身份識(shí)別器的設(shè)計(jì)重在兩方面：一是體積小，便于攜帶；二是功耗小，可持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)，使用電池供電，不能頻繁更換電池。因此，如何減小體積和節(jié)省電能是身份識(shí)別器設(shè)計(jì)的首要問題。

身份識(shí)別器由電池、報(bào)警按鈕、控制核心、無線收發(fā)模塊、報(bào)警指示燈和蜂鳴器組成。本設(shè)計(jì)采用MSP430F1611控制芯片為控制核心，它是具有超低功耗特點(diǎn)的16位單片機(jī)，可以在低電壓下以超低功耗狀態(tài)工作，并且在惡劣條件下工作性能穩(wěn)定；采用CC2500芯片為核心組成無線收發(fā)模塊，通過SPI方式與控制核心通信，該芯片體積小、功耗低，非常適合于低功耗的應(yīng)用系統(tǒng)，并在本設(shè)計(jì)中使用PCB引線天線來減小設(shè)備體積；報(bào)警按鈕用于人員輸入報(bào)警信號(hào)，報(bào)警指示燈和蜂鳴器用于收到廣播告警信號(hào)后，提示人員進(jìn)行撤離。

身份識(shí)別器嵌入式控制軟件編程語言為C語言，編譯環(huán)境為IAR Embedded Workbench，開發(fā)工具為MSPFET430UIF。軟件編程的基本思路是：先對(duì)控制核心的SPI、CC2500控制端口初始化；使能SPI端口，對(duì)CC2500芯片初始化；開啟接收機(jī)后，就可以運(yùn)行任務(wù)程序了，以實(shí)現(xiàn)接收或發(fā)送數(shù)據(jù)。軟件工作流程如圖3所示。

圖3 身份識(shí)別器軟件處理流程圖

2.2 信息采集傳輸節(jié)點(diǎn)

信息采集傳輸節(jié)點(diǎn)分布在井下坑道內(nèi)，通過電力線接收信息綜合處理中心站發(fā)送的詢問、對(duì)時(shí)和告警命令，再將詢問和告警信息通過無線方式發(fā)送給身份識(shí)別器。身份識(shí)別器通過無線方式將應(yīng)答信息和報(bào)警信息發(fā)送給信息采集傳輸節(jié)點(diǎn)，信息采集傳輸節(jié)點(diǎn)再將無線接收到的信息通過電力線傳輸?shù)叫畔⒕C合處理中心站進(jìn)行處理。

圖4 信息采集傳輸節(jié)點(diǎn)組成示意圖

信息采集傳輸節(jié)點(diǎn)由濾波器、電源模塊、主板、電力線通信模塊和OLED屏組成。信息采集傳輸節(jié)點(diǎn)輸入220V交流電源，經(jīng)濾波器后由電源模塊轉(zhuǎn)換為12V直流電源給主板和電力線通信模塊供電；主板通過無線方式接收身份識(shí)別器的編號(hào)信息和報(bào)警信息，并將信息綜合處理中心站發(fā)布的系統(tǒng)告警信息發(fā)送給身份識(shí)別器；電力線載波通信模塊與系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸總線相連接，實(shí)現(xiàn)信息采集傳輸節(jié)點(diǎn)與信息綜合處理中心站之間的數(shù)據(jù)傳輸；OLED屏在調(diào)試維修時(shí)顯示關(guān)鍵數(shù)據(jù)，以方便調(diào)試。

信息采集傳輸節(jié)點(diǎn)嵌入式控制軟件基于TI公司的MSP430F5659MCU內(nèi)核而寫，編程環(huán)境與身份識(shí)別器相同。軟件設(shè)計(jì)遵循軟件模塊化的設(shè)計(jì)理念，按照功能不同分為：信息顯示處理模塊、RF控制模塊和通信處理模塊。這三個(gè)模塊都是通過總控程序進(jìn)行調(diào)度，總控程序流程圖如圖5所示。

圖5 總控程序流程圖

2.3 信息綜合處理中心站

信息綜合處理中心站軟件開發(fā)環(huán)境為Windows 2000/XP，采用Delphi、MSSQL Sever數(shù)據(jù)庫(kù)、MAPX數(shù)字地圖組件進(jìn)行開發(fā)，運(yùn)行環(huán)境為Windows NT/2000/XP。軟件通過電力線載波通訊模塊與信息采集傳輸節(jié)點(diǎn)和身份識(shí)別器進(jìn)行通訊，獲取井下人員的信息；在軟件界面中使用GIS技術(shù)顯示煤礦井下結(jié)構(gòu)，并顯示人員所處的位置等信息，便于井上操控人員直觀的掌握井下工作人員的位置等信息。信息綜合處理中心站軟件的結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 信息綜合處理中心站軟件功能模塊框圖

信息綜合處理中心站軟件的各個(gè)模塊相互獨(dú)立，通過主程序進(jìn)行調(diào)用。主模塊主要完成其它功能模塊的調(diào)用，根據(jù)其任務(wù)分析，其輸入信息就是鼠標(biāo)或者鍵盤消息，輸出信息為各個(gè)模塊的調(diào)用觸發(fā)消息。基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理模塊主要針對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行管理維護(hù)，這些數(shù)據(jù)包括：采掘區(qū)域信息、人員信息、班次信息、檢測(cè)站點(diǎn)即信息采集節(jié)點(diǎn)信息、便攜式無線收發(fā)器信息和生產(chǎn)作業(yè)信息。通訊管理模塊主要完成對(duì)各個(gè)信息采集點(diǎn)的輪訊、接收各個(gè)采集點(diǎn)的通訊及報(bào)警信號(hào)、下發(fā)報(bào)警指令等工作。數(shù)字地圖顯示處理模塊完成數(shù)字地圖的顯示，并標(biāo)繪信息采集傳輸節(jié)點(diǎn)及身份識(shí)別器（人員）的位置，便于操作人員便捷直觀的確定井下工作狀況，當(dāng)出現(xiàn)節(jié)點(diǎn)錯(cuò)誤等狀況時(shí)，能及時(shí)顯示錯(cuò)誤點(diǎn)信息，并進(jìn)行醒目提醒，便于維護(hù)人員進(jìn)行維護(hù)。數(shù)據(jù)庫(kù)管理模塊用于對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)資料進(jìn)行備份及恢復(fù)。

3 系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)能夠自動(dòng)檢測(cè)井下坑道人員經(jīng)過該信息采集傳輸節(jié)點(diǎn)的時(shí)間、地點(diǎn)信息，并自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)人員的考勤作業(yè)、統(tǒng)計(jì)及監(jiān)測(cè)管理。安裝在井下各通道的信息采集傳輸節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)將采集到的信息傳送到信息綜合處理中心站，整個(gè)過程無需人為干預(yù)。系統(tǒng)軟件具備專用數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)，包括工人通過坑道的信息采集和統(tǒng)計(jì)分析系統(tǒng)，考勤作業(yè)的統(tǒng)計(jì)與管理分析系統(tǒng)，顯示并打印各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表資料，為高層管理人員的查詢與管理提供全方位的服務(wù)。

圖7為系統(tǒng)工作主界面，主界面列表顯示信息采集傳輸節(jié)點(diǎn)采集到的井下人員實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并每隔5秒刷新一次。若需詳細(xì)了解井下人員活動(dòng)的實(shí)時(shí)情況以及歷史軌跡回顯，可進(jìn)入電子地圖人員定位瀏覽界面，其界面在地圖上標(biāo)示出人員的實(shí)時(shí)信息，如圖8所示。

圖7 系統(tǒng)工作主界面

圖8 人員定位界面圖

4 結(jié)束語

井下人員定位系統(tǒng)采用有無線相結(jié)合的方式將信息綜合處理中心站、信息采集傳輸節(jié)點(diǎn)以及身份識(shí)別器緊密的聯(lián)系起來，構(gòu)成了一個(gè)信息采集、處理和傳輸?shù)膭?dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)，具有操作簡(jiǎn)單，功能完整，穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，可以便捷的接收各種數(shù)據(jù)、發(fā)送工作指令、危險(xiǎn)警告等信息，在發(fā)生井下事故等情況時(shí)可以快速、準(zhǔn)確的確定人員所處的位置，便于進(jìn)行相應(yīng)的搶救，并大大提高生產(chǎn)的科學(xué)管理水平。

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